进入 21 世纪以来，3D 显示技术迅速发展，在科研教育、医疗诊断和军事演习等领域具有极大的应用前景。特别是裸眼 3D 显示技术，观众不需要佩戴助视设备即可体验逼真的 3D 效果，也为当下火热的元宇宙、智慧城市等概念提供了技术支撑。在众多裸眼 3D 技术中，集成成像 3D 显示系统结构紧凑，能够直接嫁接在现有的 2D 显示器上，减少开发成本，是最被市场所看好的裸眼 3D 显示技术之一。集成成像技术由诺贝尔奖获得者李普曼在 1908 年提出，通过微透镜阵列将 3D 场景不同角度下的视差信息记录在图像传感器上，再传输给 2D 显示器显示，根据光路可逆原理，3D 场景的视差信息会通过微透镜阵列再现出来，真实的还原出 3D 图像。众所周知，3D 场景的光场数据量大，而 2D 显示器的空间带宽积有限，这就导致 3D 图像的分辨率、视角和景深之间相互制约。如何突破这种制约？在不损失视角和景深的前提下，提升 3D 分辨率，是目前 3D 显示技术所面临的主要挑战之一。
近日，四川大学 何伟 硕士生、邓欢 教授等人在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、中文核心期刊）发表了题为“基于回返器和反射偏振片的分辨率增强集成成像 3D 显示器”的学术文章。该文章剖析了集成成像 3D 显示性能的制约因素，提出偏振复用技术突破常规 2D 显示器的空间带宽积限制，实现集成成像 3D 分辨率的提高。文章介绍了偏振复用的原理，剖析了回返器和反射偏振片等核心元件的结构和功能，阐述了高分辨率 3D 片源的生成方法。
1. 何为偏振复用？
自然光中包含着不同的偏振态光线，通过光学器件将不同偏振态的光分离出来，对每种偏振态光进行独立的光场调控，达到偏振复用的效果。随着反射偏振片、液晶透镜和几何相位透镜等偏振光学器件的出现，让偏振复用技术在显示领域具有更广泛的应用。
2. 偏振复用 3D 分辨率提升
从 2D 显示屏出射的光线被反射偏振片分离成两组偏振方向互相正交的偏振光，并向不同的方向传播，随后分别经由回返器反射，在镜面对称的成像面上重叠。通过调节两个反射偏振片的间距，使得两组偏振光的像素分别在水平和竖直方向上错位 1/2 像素，实现像素光线的错位叠加。
图3：偏振复用 3D 显示系统光路
图源：液晶与显示, 2022, 37(5): 557. Fig.1
两组偏振光分别携带偏振片源，叠加后生成高分辨率 3D 片源，完成 3D 片源的偏振复用。根据叠加的 3D 片源和两个偏振片源的之间的像素索引关系，可由叠加的 3D 片源的像素值计算出偏振片源的像素值。
叠加后的 3D 片源像素尺寸为 2D 显示器像素尺寸的 1/4，像素数约为 4 倍，可以实现更精密的光场调控。叠加后的高分辨率 3D 片源经过透镜阵列实现方向性调制，保证 3D 视角和景深的前提下，在空间中重构出更多体素的高分辨率 3D 图像。
以上研究表明，偏振复用为提高集成成像 3D 显示分辨率提供了一种新思路。在 2D 显示器固有的空间带宽积条件下，增加 3D 片源的可控光线数，有效的提升 3D 图像的分辨率，为实现高分辨率集成成像 3D 显示提供更多的可能。
论文信息
何伟，李强，郭兆达，邓欢. 基于回返器和反射偏振片的分辨率增强集成成像3D显示器[J]. 液晶与显示, 2022, 37(5): 555-561.
通讯作者简介
邓欢，四川大学电子信息学院教授、博士生导师。2012 年 6 月于四川大学获得光学工程博士学位，四川省优博。主要致力于裸眼光场 3D 显示、集成成像、AR 显示、3D 视觉健康等领域的研究。获得中国电子学会技术发明一等奖、教育部技术发明二等奖、军队科技进步二等奖，主持国家自然科学基金联合基金重点项目课题、面上项目、青年基金等。在 Optics Express, Photonics Research 等国内外学术期刊发表论文 30 余篇，授权中国发明专利 30 余件。
E-mail：huandeng@scu.edu.cn
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